Комната играет вместе с вами: моды, отражения, реверберация и расстановка колонок

Одна и та же колонка в двух комнатах звучит совершенно по-разному. Ниже примерно 200 Hz комната может изменить уровень баса на 10–20 dB в зависимости от того, где стоит колонка и где сидит слушатель. Это больше, чем способен испортить плохо рассчитанный кроссовер. Поэтому в Loudsmith есть отдельный инструмент «Комната». Здесь мы объясняем, что он рассчитывает и почему.

Что вы вводите

• Размеры комнаты: ширину (стена за колонками), длину и высоту потолка.
• Время реверберации T60, то есть время, за которое звук после выключения источника затухает на 60 dB. В обычной гостиной это 0,4–0,6 s, в пустой комнате с твёрдым полом — более 0,8 s.
• Расстановку: расстояние от стены за колонкой и от боковой стены, высоту стойки, расстояние от слушателя до задней стены и высоту ушей.
• По желанию — зону прослушивания, если вы слушаете только в части большой комнаты, диапазон ширины стереобазы и фиксированное место слушателя.

Размеры колонки и высоту динамиков приложение берёт из вашего проекта. Оно также знает, обычная ли это колонка или диполь (открытый экран), который ведёт себя в комнате иначе.

Две области: моды и диффузное поле

Акустика небольших помещений делится на две области, границей между которыми служит частота Шрёдера:

f_S = 2000 · √(T60 / V)

где V — объём комнаты в m³. Для комнаты 4 × 6 × 2,6 m с реверберацией 0,45 s получается около 170 Hz.

Ниже этой частоты комната — это резонатор. Между параллельными стенами возникают стоячие волны, так называемые моды. Сильнее всего проявляются осевые моды между двумя стенами:

f = n · c / (2 · L), где n = 1, 2, 3…

При длине 6 m это 29, 57, 86 Hz и так далее. Помимо осевых существуют тангенциальные и косые моды. У каждой моды в одних точках есть максимумы, а в других — узлы. Поэтому бас в одном месте может удвоиться, а в полуметре от него почти исчезнуть. Loudsmith суммирует вклад всех мод до частоты примерно вдвое выше частоты Шрёдера (не ниже 250 Hz). Для колонки учитывается положение НЧ-динамика, для слушателя — положение головы.

Выше частоты Шрёдера мод так много, что они сливаются в равномерное реверберационное поле. Там приложение учитывает прямой звук колонки и диффузную реверберацию по методу Зигфрида Линквица.

Критическое расстояние

Вблизи колонки преобладает прямой звук, дальше — отражённый. Граница между ними — критическое расстояние (радиус гулкости):

r_c = 0,1 · √(G · V / (π · T60))

G — направленность источника: 1 для обычной колонки, 3 для диполя. Диполь меньше излучает в стороны, поэтому его критическое расстояние примерно в 1,7 раза больше. Если вы сидите дальше трёх r_c, вы слышите в основном комнату, и стереообраз размывается.

Отражения, которые создают провалы

Отражённый звук приходит к уху с задержкой. На частоте, где задержка равна половине длины волны, он вычитается из прямого звука, и возникает провал. Приложение рассчитывает три важнейших отражения по разности путей прямого и отражённого звука:

• Стена за колонкой. Провал на частоте f = c / (4 · d), где d — расстояние от динамика до стены. При 1 m это 86 Hz. Вблизи стены провал смещается выше, за пределы полосы НЧ-динамика, поэтому помогает и установка колонки вплотную к стене.
• Боковая стена. Отражение короче 3 ms сливается с прямым звуком и размывает образ. Начиная с 6 ms оно безвредно.
• Пол. Отражение от пола между колонкой и слушателем. Если провал попадает в среднечастотный диапазон (от 120 до 600 Hz), эквалайзер его не исправит. Поможет другая высота НЧ-динамика или ковёр.

Девять проверок расстановки

По результатам расчёта формируется таблица проверок с целевыми значениями и советами:

Проверка	Цель
Влияние комнаты на бас (от 25 до 250 Hz)	разброс в пределах ±4 dB
Стереотреугольник	угол 60°, допустимо от 40 до 90°
Расстояние до стены за колонкой	не менее 1 m (диполь 1,2 m), отражение после 6 ms
Расстояние до боковой стены	не менее 1 m или отражение после 6 ms
Отражение от пола	провал вне диапазона 120–600 Hz
Реверберация комнаты	от 400 до 600 ms
Слушатель и критическое расстояние	не более 3 × rc
Высота ВЧ-динамика	на уровне ушей, в пределах ±12 cm
Размер комнаты	не менее 15 m² (диполь 22 m²)

Поиск лучшей расстановки

Кнопка «Найти лучшую расстановку» перебирает сетку положений колонок и места слушателя. Колонки при этом остаются симметричными, а алгоритм ищет комбинацию с самым ровным басом в точке прослушивания и углом стереотреугольника, максимально близким к 60°. Если место слушателя зафиксировано, перемещаются только колонки. Если задана зона прослушивания, поиск не выходит за её пределы.

Результат виден на плане с картой баса: зелёные участки дают более ровный бас, красные — хуже. На плане также отмечены точки первых отражений на боковых стенах, куда стоит поставить поглотитель или диффузор. График сравнивает бас в комнате и в свободном поле, а таблица перечисляет осевые моды до 200 Hz.

В 3D-виде ваша колонка стоит в обставленной комнате с картой баса на полу и стереотреугольником. Можно посмотреть с места слушателя, из угла или сверху.

Практические советы

• Не садитесь в центре комнаты. Посередине длины находится узел первой осевой моды, и баса там не хватает. Обычно лучше сидеть примерно на 38 % длины от стены.
• Колонки и место слушателя — как можно дальше от углов. Угол возбуждает все моды сразу.
• Если колонка должна стоять у стены, на шаге «Проект» выберите расположение «у стены». Тогда модель учтёт меньший спад баса, а кроссовер — меньшую коррекцию baffle step.
• Ковёр между колонками и слушателем, шторы и заполненный книжный шкаф сокращают реверберацию и ослабляют отражение от пола.

Модель предполагает прямоугольную комнату с жёсткими стенами и установившийся режим. Реальные стены частично пропускают бас, мебель демпфирует, а открытая дверь меняет моды. Результат надёжен для сравнения вариантов расстановки, а точные цифры подтвердит только измерение микрофоном в точке прослушивания.